Boro em cana-de-açúcar cultivada em solução nutritiva

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Níveis de fósforo em dietas para Zebrafish Danio rerio

Pós-graduação em Zootecnia - FMVZ

Evaluation of multitrophic biofiltration system with new algae species and the sea cucumber "Holothuria sanctori"

Máster Oficial en Cultivos Marinos. Trabajo presentado como requisito parcial para la obtención del Título de Máster Oficial en Cultivos Marinos, otorgado por la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria (ULPGC), el Instituto Canario de Ciencias Marinas (ICCM), y el Centro Internacional de Altos Estudios Agronómicos Mediterráneos de Zaragoza (CIHEAM)

Evaluación de un sistema de biofiltración multitrófico usando nuevas especies de algas y el pepino de mar "Holothuria sanctori"

Trabajo dirigido por Juan Luis Gómez Pinchetti y Ricardo Haroun Tabraue

Qualitative and absolute quantitative studies of the cell-nanoparticle interaction

This thesis focused on the polymer’s influence on the interaction of polymeric NPs with epithelial cells. Furthermore, the measurement of single submicron nanoparticles in a commercially available flow cytometer was established, to provide a new method in the toolbox for nanoparticle-cell studies. This gave way to develop a routine for the absolute quantification of intracellular NPs via flow cytometry. rnThe cellular uptake of poly(methyl methacrylate) (PMMA), polystyrene (PS) and poly(L-lactide) (PLLA) nanoparticles was investigated via flow cytometry. PLLA-NPs were internalized the most efficiently. But upon co-incubation of PS and PLLA particles with cells, the two particles mutually influenced their uptake, slightly shifting the relative uptake efficiencies. This phenomenon should be based on specific properties of the different polymer materials. The findings indicated a competition (which is strongly influenced by properties of the respective polymeric material) for the uptake into the cells, allegedly due to competition for specific coatings with serum components that enhances the NPs’ cellular uptake. The fluorescence of single 150 nm particles was determined with a benchtop cytometer, breaching the machine’s detection limit but yielding precise NP fluorescence standardization factors. Up to now, these standardization factors are mostly determined by spectroscopic analysis of the particles’ dye content. Finally a flow cytometric routine for absolute particle counting in cells was devised. This quantitation revealed a low uptake efficiency for un-functionalized PMMA NPs of less than 150 NPs (approx. 0,001 % of added) per cell.rn

Einfluss verschiedener nanopartikulärer Systeme auf die zelluläre Aufnahme und Zytotoxizität

Die vorliegende Dissertation untersucht Nanopartikel und Nanokapseln aus verschiedenen Materialien mit verschiedenen Modifikationen für einen zielgerichteten Medikamententransport (Drug Targeting). Obwohl bisher zahlreiche Nanopartikel und -kapseln synthetisiert wurden, besteht nach wie vor hinsichtlich der zellulären Verträglichkeit, Biokompatibilität und Aufnahme kein allumfassendes Verständnis. Mit Hilfe der in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen und Ergebnissen soll ein Beitrag zur Schließung dieser Lücke geleistet werden.rnIm Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde der Einfluss der Herstellungsmaterialien PS, PLLA, PMMA, Biomakromoleküle (BSA, DNA), ggf. stabilisiert durch HPMA-LMA-Copolymere und neu-synthetisierte Surfmere, der Formmodifikationen Streckung und Kristallisierung, der Oberflächenmodifikationen mittels verschiedener Tenside und PEG auf die zelluläre Aufnahme und Verträglichkeit hin untersucht.rnZusammenfassend lässt sich die Aussage treffen, dass zahlreiche Materialien zur Herstellung von Trägersystemen geeignet sind und sich als biokompatibel und nicht-zytotoxisch erwiesen haben, sich jedoch stark hinsichtlich der Aufnahmeeffizienz in verschiedene Zelllinien unterscheiden. rnIm ersten Abschnitt (Kapitel 5.1) wurden in der ersten und zweiten Untersuchung auf allgemeine Parameter, die die Aufnahme von Nanopartikeln beeinflussen, eingegangen. Hier wurde der Einfluss des Alters von PLLA-Partikeln auf die zelluläre Aufnahme und Toxizität untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit zunehmender Materialalterung die zelluläre Aufnahme abnimmt. Eine Zytotoxizität konnte nicht gezeigt werden.rnWeiterhin wurde der Einfluss des FCS-Gehalts des Zell-Mediums auf die zelluläre Aufnahme von PMMA-Partikeln untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit einer steigenden FCS-Konzentration eine Abnahme der zellulären Aufnahme von PMMA-Partikeln einhergeht. Die höchste zelluläre Aufnahme konnte bei einem FCS-Gehalt des Zellmediums von 0,05% verzeichnet werden. rnIm zweiten Abschnitt (Kapitel 5.2) wurde die Stabilisierung von Nanopartikeln mittels neusynthetisierter Tenside und deren Einfluss auf die Zelle-Nanopartikel-Interaktionen untersucht. Dazu wurde zum einen die Oberflächenfunktionalisierung von Nanopartikeln mit Hilfe neu-synthetisierter „Surfmere“ und deren Einfluss auf die zelluläre Aufnahme und Toxizität untersucht. Die hergestellten Surfmere bewirken gleichzeitig eine Stabilisierung und Funktionalisierung der Nanopartikeloberfläche mit Phosphonatgruppen. Hier wurden kovalente „Surfmer“ stabilisierte Nanopartikel mit Tensid- (SDP) stabilisierten Nanopartikeln verglichen. Zudem wurden dialysierte Nanopartikel mit nicht-dialysierten verglichen. Bezüglich der zellulären Aufnahme konnte für die mittels Dialyse gereinigten Nanopartikel eine gute Aufnahme ohne Unterschiede zwischen den kovalent und nicht-kovalent Phosphonat-funktionalisierten Partikeln beobachtet werden. Die ungereinigten, SDP-stabilisierte, nicht-kovalent gebundene Nanopartikel zeigten hingegen eine bis zu 30% stärkere Aufnahme in die HeLa-Zellen und hMSCs.rnWeiterhin der Einsatz von mit HPMA-LMA-Copolymeren stabilisierte Polystyrol- und PLLA-Partikel, die den Einsatz von Tensiden während des Miniemulsionsprozesses überflüssig machen, untersucht. Auch hier konnte keine Zytotoxizität nachgewiesen werden. Die Aufnahme in HeLa-Zellen scheint mehr von der Größe der Nanopartikel als vom verwendeten Material und in hMSCs mehr von den Oberflächeneigenschaften der Nanopartikel abzuhängen.rnIm dritten Abschnitt (Kapitel 5.3) wird auf die Möglichkeit der Formmodifikation von Polystyrol-Partikeln und deren Einfluss auf die Nanopartikel-Zelle-Interaktionen eingegangen. Es geht dabei um die Aufnahme und Zytotoxizität von verstreckten (elongierten) Polystyrol-Partikeln im Vergleich zu sphärischen Nanopartikeln, sowie die Aufnahme und Zytotoxizität von kristallinen Polystyrol-Partikeln in verschiedene Zelllinien. Bei den verstreckten Partikeln nimmt die Aufnahme-Effizienz in HeLa-Zellen und hMSCs mit zunehmender Verstreckung ab. Eine Zytotoxizität konnte für keinen der erwähnten Nanopartikel nachgewiesen werden. Bei den Polystyrol-Partikeln unterschiedlicher Taktizität zeigen die kristallierten Polystyrol-Partikel eine geringfügig besser Aufnahme-Rate als die nicht-kristallierten Polystyrol-Partikel. Dabei zeigen die nach dem Herstellungsprozess mittels der Lösemittelverdampfungstechnik der wässrigen Phase entnommenen Partikel eine bessere Aufnahme als die nach der Verdampfung des Chloroforms verfügbaren Partikel. Insgesamt konnte jedoch für alle Polystyrol-Partikel trotz der unterschiedlichen Taktizitäten nach der Aufnahme in HeLa-Zellen und hMSCs mittels Durchflusszytometrie hohe Fluoreszenz-Intensitäten verzeichnet werden. Setzt man hohe Fluoreszenz-Intensitäten bei in Zellen aufgenommenen Partikeln mit guten Aufnahmeraten gleich, sind die hier dargestellten Aufnahmeraten als sehr gut zu bezeichnen. rnAuf Nanosysteme mit einer reduzierten zellulären Aufnahme wird im letzten Abschnitt (Kapitel 5.4) eingegangen. Dabei wird zum einen die unterschiedliche Oberflächenmodifikation von Polystyrol-Partikeln mit dem Co-Monomer PEG-MA und den Tensiden SDS und Lutensol AT50 untersucht. Von PEG-MA wurden zudem verschiedene Molekulargewichte (Mn=300 g•mol-1 und Mn=2080 g•mol-1) und verschiedene Konzentrationen (1,5%, 5%, 10%) eingesetzt. Ein Teil der Partikel wurde mit SDS und der andere Teil mit Lutensol AT50 hergestellt. In einem weiteren Schritt wurde das jeweilig gegenteilige Tensid (statt SDS Lutensol AT50 und umgekehrt) eingesetzt, um zu überprüfen, ob sich der zuvor beobachtete Effekt umkehren lässt. Anschließend wurde ein erst mit SDS stabilisierter Nanopartikel (BR01) mit verschiedenen Lutensol AT50-Anteilen (5%, 10%, 25%, 50%, 100%) redispergiert. Die effizienteste Aufnahme zeigte der unmodifizierte, mit SDS stabilisierte Nanopartikel BR01, die niedrigste der ebenfalls unmodifizierte, mit Lutensol AT50 stabilisierte Nanopartikel BR02. Eine steigende Konzentration des PEG-MA Mn=300 g•mol-1 hemmt die Aufnahme von mit SDS stabilisierten Partikeln konstant. Für PEG-MA Mn=2080 g•mol-1 konnte hingegen kein Einfluss nachgewiesen werden. Für die mit Lutensol AT50 stabilisierten Partikel konnte kein Einfluss von PEG-MA nachgewiesen werden. Daraus resultiert, dass der Einsatz von physikalisch adsorbiertem Lutensol AT50 die zelluläre Aufnahme effektiver hemmt als der Einsatz von kovalent gebundenem PEG-MA unterschiedlicher Kettenlänge.rnDer Einsatz von mit Biomakromolekülen hergestellten Nanokapseln, die mit zwei verschiedenen Tensiden (SDS und Lutensol AT50) stabilisiert wurden, wurde im Weiteren näher untersucht. Bei den mit SDS stabilisierten Kapseln erwiesen sich die mit ssDNA hergestellten Kapseln BN-54 und BN-55 als leicht toxisch für die HeLa-Zellen. Dagegen sind alle eingesetzten, mit Lutensol AT50 redispergierten Nanokapseln sowohl für HeLa-Zellen als auch für hMSCs zytotoxisch. Hier ist die toxische Wirkung auf das nicht-ionische Tensid Lutensol AT50 zurückzuführen. Eine zelluläre Aufnahme konnte für keine mit Biomakromolekülen hergestellten Nanokapsel nachgewiesen werden.rnDen Abschluss der Untersuchungen bildet die vergleichende Analyse der in dieser Arbeit mit dem Fluoreszenzfarbstoff PMI versehenen Partikeln hinsichtlich deren Aufnahme in HeLa-Zellen und hMSCs und deren zytotoxische Auswirkungen. In der vergleichenden Analyse werden die zuvor vorgestellten Ergebnisse für PMI-Partikeln nochmal im Kontext betrachtet. Dabei erwies sich sowohl für die HeLa-Zellen als auch für die hMSCs, dass die meisten Partikel eine geringe bis keine zelluläre Aufnahme zeigen. Eine gute Aufnahme konnte nur für wenige Nanopartikel (vor allem für die kristallinen Nanopartikel) verzeichnet werden. Eine Korrelation zwischen der Aufnahmeeffizienz und der Zytotoxizität konnte nicht nachgewiesen werden. rn

Process-based modelling of lichens and bryophytes and their role in global biogeochemical cycles

This thesis presents a process-based modelling approach to quantify carbon uptake by lichens and bryophytes at the global scale. Based on the modelled carbon uptake, potential global rates of nitrogen fixation, phosphorus uptake and chemical weathering by the organisms are estimated. In this way, the significance of lichens and bryophytes for global biogeochemical cycles can be assessed. The model uses gridded climate data and key properties of the habitat (e.g. disturbance intervals) to predict processes which control net carbon uptake, namely photosynthesis, respiration, water uptake and evaporation. It relies on equations used in many dynamical vegetation models, which are combined with concepts specific to lichens and bryophytes, such as poikilohydry or the effect of water content on CO2 diffusivity. To incorporate the great functional variation of lichens and bryophytes at the global scale, the model parameters are characterised by broad ranges of possible values instead of a single, globally uniform value. The predicted terrestrial net uptake of 0.34 to 3.3 Gt / yr of carbon and global patterns of productivity are in accordance with empirically-derived estimates. Based on the simulated estimates of net carbon uptake, further impacts of lichens and bryophytes on biogeochemical cycles are quantified at the global scale. Thereby the focus is on three processes, namely nitrogen fixation, phosphorus uptake and chemical weathering. The presented estimates have the form of potential rates, which means that the amount of nitrogen and phosphorus is quantified which is needed by the organisms to build up biomass, also accounting for resorption and leaching of nutrients. Subsequently, the potential phosphorus uptake on bare ground is used to estimate chemical weathering by the organisms, assuming that they release weathering agents to obtain phosphorus. The predicted requirement for nitrogen ranges from 3.5 to 34 Tg / yr and for phosphorus it ranges from 0.46 to 4.6 Tg / yr. Estimates of chemical weathering are between 0.058 and 1.1 km³ / yr of rock. These values seem to have a realistic order of magnitude and they support the notion that lichens and bryophytes have the potential to play an important role for global biogeochemical cycles.

Abandoned Coal Mine Drainage and Its Remediation: Impacts on Stream Ecosystem Structure and Function

The effects of abandoned mine drainage (AMD) on streams and responses to remediation efforts were studied using three streams (AMD-impacted, remediated, reference) in both the anthracite and the bituminous coal mining regions of Pennsylvania (USA). Response variables included ecosystem function as well as water chemistry and macroinvertebrate community composition. The bituminous AMD stream was extremely acidic with high dissolved metals concentrations, a prolific mid-summer growth of the filamentous alga, Mougeotia, and .10-fold more chlorophyll than the reference stream. The anthracite AMD stream had a higher pH, substrata coated with iron hydroxide(s), and negligible chlorophyll. Macroinvertebrate communities in the AMD streams were different from the reference streams, the remediated streams, and each other. Relative to the reference stream, the AMD stream(s) had (1) greater gross primary productivity (GPP) in the bituminous region and undetectable GPP in the anthracite region, (2) greater ecosystem respiration in both regions, (3) greatly reduced ammonium uptake and nitrification in both regions, (4) lower nitrate uptake in the bituminous (but not the anthracite) region, (5) more rapid phosphorus removal from the water column in both regions, (6) activities of phosphorus-acquiring, nitrogenacquiring, and hydrolytic-carbon-acquiring enzymes that indicated extreme phosphorus limitation in both regions, and (7) slower oak and maple leaf decomposition in the bituminous region and slower oak decomposition in the anthracite region. Remediation brought chlorophyll concentrations and GPP nearer to values for respective reference streams, depressed ecosystem respiration, restored ammonium uptake, and partially restored nitrification in the bituminous (but not the anthracite) region, reduced nitrate uptake to an undetectable level, restored phosphorus uptake to near normal rates, and brought enzyme activities more in line with the reference stream in the bituminous (but not the anthracite) region. Denitrification was not detected in any stream. Water chemistry and macroinvertebrate community structure analyses capture the impact of AMD at the local reach scale, but functional measures revealed that AMD has ramifications that can cascade to downstream reaches and perhaps to receiving estuaries.

Transfer and effects of 1,2,3,5,7-pentachloronaphthalene in an experimental food chain.

Polychlorinated naphthalenes are environmentally relevant compounds that are measured in biota at concentrations in the μg/kg lipid range. Despite their widespread occurrence, literature data on the accumulation and effects of these compounds in aquatic ecosystems are sparsely available. The goal of this study was to gain insights into the biomagnification and effects of 1,2,3,5,7-pentachloronaphthalene (PeCN52) in an experimental food chain consisting of benthic worms and juvenile rainbow trout. Worms were contaminated with PeCN52 by passive dosing from polydimethylsiloxane silicone. The contaminated worms were then used to feed the juvenile rainbow trout at 0.12, 0.25 or 0.50 μg/g fish wet weight/day, and the resulting internal whole-body concentrations of the individual fish were linked to biological responses. A possible involvement of the cellular detoxification system was explored by measuring PeCN52-induced expression of the phase I biotransformation enzyme gene cyp1a1 and the ABC transporter gene abcb1a. At the end of the 28-day study, biomagnification factors were similar for all dietary intake levels with values between 0.5 and 0.7 kg lipid(fish)/kg lipid(worm). The average uptake efficiency of 60% indicated that a high amount of PeCN52 was transferred from the worms to the fish. Internal concentrations of up to 175 mg/kg fish lipid in the highest treatment level did not result in effects on survival, behavior, or growth of the juvenile trout, but were associated with the induction of phase I metabolism which was evident from the significant up-regulation of cyp1a1 expression in the liver. In contrast, no changes were seen in abcb1a transcript levels.

Seawater carbonate chemistry and phytoplankton and eubacterial community compositions in the northwest subarctic Pacific

On-deck CO2-Fe-manipulated incubation experiments were conducted using surface seawater collected from the Western Subarctic Gyre of the NW Pacific in the summer of 2008 to elucidate the impacts of ocean acidification and Fe enrichment on the abundance and community composition of phytoplankton and eubacteria in the study area. During the incubation, excluding the initial period, the mean partial pressures of CO2 in non-Fe-added bottles were 230, 419, 843, and 1124 µatm, whereas those in Fe-added treatments were 152, 394, 791, and 1008 µatm. Changes in the abundance and community composition of phytoplankton were estimated using HPLC pigment signatures with the program CHEMTAX and flow cytometry. A DGGE fingerprint technique targeting 16S rRNA gene fragments was also used to estimate changes in eubacterial phylotypes during incubation. The Fe addition induced diatom blooms, and subsequently stimulated the growth of heterotrophic bacteria such as Roseobacter, Phaeobacter, and Alteromonas in the post-bloom phase. In both the Fe-limited and Fe-replete treatments, concentrations of 19'-hexanoyloxyfucoxanthin, a haptophyte marker, and the cell abundance of coccolithophores decreased at higher CO2 levels (750 and 1000 ppm), whereas diatoms exhibited little response to the changes in CO2 availability. The abundances of Synechococcus and small eukaryotic phytoplankton (<10 µm) increased at the higher CO2 levels. DGGE band positions revealed that Methylobacterium of Alphaproteobacteria occurred solely at lower CO2 levels (180 and 380 ppm) during the post-bloom phase. These results suggest that increases in CO2 level could affect not only the community composition of phytoplankton but also that of eubacteria. As these microorganisms play critical roles in the biological carbon pump and microbial loop, our results indicate that the progression of ocean acidification can alter the biogeochemical processes in the study area.

Response of a natural phytoplankton community from the Qingdao coast (Yellow Sea, China) to variable CO2 levels over a short-term incubation experiment

Since marine phytoplankton play a vital role in stabilizing earth's climate by removing significant amount of atmospheric CO2, their responses to increasing CO2 levels are indeed vital to address. The responses of a natural phytoplankton community from the Qingdao coast (NW Yellow Sea, China) was studied under different CO2 levels in microcosms. HPLC pigment analysis revealed the presence of diatoms as a dominant microalgal group; however, members of chlorophytes, prasinophytes, cryptophytes and cyanophytes were also present. delta 13CPOM values indicated that the phytoplankton community probably utilized bicarbonate ions as dissolved inorganic carbon source through a carbon concentration mechanism (CCM) under low CO2 levels, and diffusive CO2 uptake increased upon the increase of external CO2 levels. Although, considerable increase in phytoplankton biomass was noticed in all CO2 treatments, CO2-induced effects were absent. Higher net nitrogen uptake under low CO2 levels could be related to the synthesis of CCM components. Flow cytometry analysis showed slight reduction in the abundance of Synechococcus and pico-eukaryotes under the high CO2 treatments. Diatoms did not show any negative impact in response to increasing CO2 levels; however, chlorophytes revealed a reverse tend. Heterotrophic bacterial count enhanced with increasing CO2 levels and indicated higher abundance of labile organic carbon. Thus, the present study indicates that any change in dissolved CO2 concentrations in this area may affect phytoplankton physiology and community structure and needs further long-term study.

Boron nutrition and chilling tolerance of warm climate crop species

Background Field observations and glasshouse studies have suggested links between boron (B)-deficiency and leaf damage induced by low temperature in crop plants, but causal relationships between these two stresses at physiological, biochemical and molecular levels have yet to be explored. Limited evidence at the whole-plant level suggests that chilling temperature in the root zone restricts B uptake capacity and/or B distribution/utilization efficiency in the shoot, but the nature of this interaction depends on chilling tolerance of species concerned, the mode of low temperature treatment (abrupt versus gradual temperature decline) and growth conditions (e.g. photon flux density and relative humidity) that may exacerbate chilling stress. Scope This review explores roles of B nutrition in chilling tolerance of continual root or transient shoot chills in crop species adapted to warm season conditions. It reviews current research on combined effects of chilling temperature (ranging from > 0 to 20 degrees C) and B deficiency on growth and B nutrition responses in crop species differing in chilling tolerance. Conclusion For subtropical/tropical species (e.g. cucumber, cassava, sunflower), root chilling at 10-17 degrees C decreases B uptake efficiency and B utilization in the shoot and increases the shoot : root ratio, but chilling-tolerant temperate species (e.g. oilseed rape, wheat) require much lower root chill temperatures (2-5 degrees C) to achieve the same responses. Boron deficiency exacerbates chilling injuries in leaf tissues, particularly under high photon flux density. Suggested mechanisms for B x chilling interactions in plants are: (a) chilling-induced reduction in plasmalemma hydraulic conductivity, membrane fluidity, water channel activity and root pressure, which contribute to the decrease in root hydraulic conductance, water uptake and associated B uptake; (b) chilling-induced stomatal dysfunction affecting B transport from root to shoot and B partitioning in the shoot; and (c) B deficiency induced sensitivity to photo-oxidative damage in leaf cells. However, specific evidence for each of the mechanisms is still lacking. Impacts of B status on chilling tolerance in crop species have important implications for the management of B supply during sensitive stages of growth, such as early growth after planting and early reproductive development, both of which can coincide with the occurrence of chilling temperatures in the field.

Links between tree species, symbiotic fungal diversity and ecosystem functioning in simplified tropical ecosystems

We studied the relationships among plant and arbuscular mycorrhizal (AM) fungal diversity, and their effects on ecosystem function, in a series of replicate tropical forestry plots in the La Selva Biological Station, Costa Rica. Forestry plots were 12 yr old and were either monocultures of three tree species, or polycultures of the tree species with two additional understory species. Relationships among the AM fungal spore community, host species, plant community diversity and ecosystem phosphorus-use efficiency (PUE) and net primary productivity (NPP) were assessed. Analysis of the relative abundance of AM fungal spores found that host tree species had a significant effect on the AM fungal community, as did host plant community diversity (monocultures vs polycultures). The Shannon diversity index of the AM fungal spore community differed significantly among the three host tree species, but was not significantly different between monoculture and polyculture plots. Over all the plots, significant positive relationships were found between AM fungal diversity and ecosystem NPP, and between AM fungal community evenness and PUE. Relative abundance of two of the dominant AM fungal species also showed significant correlations with NPP and PUE. We conclude that the AM fungal community composition in tropical forests is sensitive to host species, and provide evidence supporting the hypothesis that the diversity of AM fungi in tropical forests and ecosystem NPP covaries.